The effects of standing exposure on venous and muscular stress parameters: influence of dynamic muscle activity in the lower extremities, age and gender, in healthy individuals

Abstract

Hintergrund Viele Arbeitsplätze in der heutigen Wirtschaft erfordern langandauerndes Ste-hen. Epidemiologische Studien zeigen, dass kontinuierliches, statisches Stehen mit diversen gesundheitlichen Folgen, wie Muskelskelett Beschwerden (MSD) des unteren Rückens und der unteren Extremitäten sowie venösen Erkrankun-gen (VD) assoziiert werden. Beschwerden der unteren Extremitäten und des lumbalen Rückens treten gehäuft bei Menschen in Stehberufen, in steigendem Alter und bei Frauen auf. Einige Laborstudien zeigten zudem, dass zweistündi-ges Stehen allein dazu führen kann, dass bei 30% bis 70% der Studienteilneh-mer Rückenbeschwerden (LBP) entstehen. Die Mechanismen dahinter sind noch nicht vollständig geklärt. Die meisten Hypothesen gehen davon aus, dass eine kontinuierliche, statische Haltung eine wichtige Rolle in der Entstehung von MSD in den Beinen und dem lumbalen Rücken spielen. Diesbezüglich könnte die „Cinderella Hypothese“ eine sinnvolle Erklärung bieten. Sie geht davon aus, dass es zu einer Ermüdung von Typ I Muskelfasern aufgrund von langanhal-tender, niedriger Aktivierung kommt, die in der Folge zu einer metabolischen Überlastung und schließlich zu Schmerzen/ Beschwerden führt. Bezüglich ve-nöser Erkrankungen geht man davon aus, dass eine kontinuierliche Dehnungs-belastung der Venenwände (erhöhter venöser Druck) und ein verringerter Blut-fluss, aufgrund von statischem Stehen, pathophysiologische Mechanismen in Gang setzen, die zu entzündungsfördernden Vorgängen führen. Das Resultat dieser Vorgänge ist ein Umbau der Venenwände mit Fibrosierung, Verdickung und Atrophie elastischer Fasern. Diese Prozesse machen Venen anfällig für Varikosen und Folgeschäden. Vermehrte Bewegung scheint ein vielverspre-chender Ansatz für die Prävention von MSD und VD zu sein, indem man stati-sche Haltungen reduziert und die Muskel-Venen Pumpe aktiviert. Surrogatpa-rameter für ein erhöhtes Risiko von MSD und VD beinhalten subjektive Be-schwerdeangaben (via einer numerischen rating Skala, NRS), Bewegung im unteren Rücken (via Lagesensor, PS), muskuläre Aktivität (Oberflächen Elekt-romyographie, SEMG) und das Unterschenkelödem (via Wasserplethysmogra-phie und bioelektrischer Impedanz, WP und BI). Die letzten beiden Messverfah-ren und -durchführungen sind teilweise selbst entwickelt und müssen daher auf ihre Reproduzierbarkeit hin überprüft werden. Methoden Die erste Studie untersuchte die intra- und inter-rater Reliabilität der WP und BI Messungen (M) an 20 gesunden Versuchspersonen. Jedes Messverfahren wurde dreimal von zwei unterschiedlichen Ratern an zwei separaten Tagen durchgeführt. Der Hauptkennwert zur Einschätzung der Reproduzierbarkeit war der „standard error of measurment“ (SEM). In der zweiten Studie wurden 60 gesunde Studienteilnehmer eingeschlossen, die ca. fünf Stunden (inklusive zwei Pausen im Sitzen, nach 110 min und 220 min) aufgeteilt in drei Perioden ge-standen sind. In regelmäßigen Abständen wurden die Beschwerden des unte-ren Rückens mittels NRS abgefragt. SEMG wurde beidseits am M. erector spi-nae gemessen. Zusätzlich wurde ein Lagesensor am Sakrum (Höhe S1) befes-tigt, um die Bewegung der Lendenwirbelsäule in lateraler und anterior- posterio-rer Richtung zu messen. Post hoc wurden zwei Gruppen – Beschwerdeentwick-ler (DD) und nicht- Beschwerdeentwickler (NoDD) – auf Grundlage der NRS Angaben gebildet. Es wurde ein lineares gemischtes Modell („linear mixed mo-del“) berechnet, um mögliche Unterschiede im Bewegungsverhalten und der Aktivierung des M. erector spinae zwischen DD und NoDD zu finden. In der drit-ten Publikation wurden ebenfalls 60 gesunde Personen eingeschlossen die ca. fünf Stunden (inklusive zwei Pausen im Sitzen, nach 110 und 220 min) aufge-teilt in drei Perioden gestanden und gegangen sind. Das orthostatische Ödem wurde mittel WP und BI gemessen. SEMG wurde gemessen, um festzustellen, ob eine kontinuierliche, niedrige Aktivierung des M. gastrocnemius vorlag. Es wurde wiederum ein lineares gemischtes Modell berechnet, um Unterschiede zwischen den Versuchstagen (Stehen und Gehen), sowie dem Verlauf inner-halb der Versuchstage festzustellen. Zudem wurde überprüft, ob ein moderie-render Einfluss von Geschlecht und Alter auf die getesteten Surrogatparameter besteht. Ergebnisse Der SEM für die WP und BI Messung lag bei 27 ml und 3,8 Ω für Rater 1 und bei 23 ml und 3,4 Ω bei Rater 2. Es wurde ein statistisch signifikanter Anstieg der WP und der BI zwischen M1 und M2 und zwischen M2 und M3 nur bei der BI bei beiden Ratern festgestellt. Die zweite Untersuchung zeigte, dass ein sta-tistisch signifikanter Anstieg bei der lateralen Bewegung im unteren Rücken von Beginn bis zum Ende jeder Stehphase bei den NoDD vorlag. Dieser Anstieg zeigte sich bei den DD nicht. Es wurden keine weiteren statistisch signifikanten Unterschiede zwischen den zwei Gruppen festgestellt. Die dritte Publikation zeigte, dass beim Stehen ein signifikanter Anstieg des Unterschenkelvolumens stattfindet (3,6% im Mittel). Beim Gehen zeigte sich eine Änderung von 0,3% im Mittel. Das Ödem stieg während der ersten 110 min stark an und flachte in der Folge ab. Alle SEMG Kennwerte waren statistisch signifikant geringer beim Stehen als beim Gehen. Während dem Stehen zeigten einige Probanden keine Aktivität (anhand des 5. Perzentils) im M. gastrocnemius. Es konnte kein statis-tisch signifikanter Einfluss von Geschlecht und Alter in sämtlichen Parametern von Publikation 2 und 3 festgestellt werden. Diskussion Grundsätzlich zeigten die SEM Werte, dass eine gute Reproduzierbarkeit der WP und BI Messungen vorliegt. Beide Methoden sind gut geeignet, um Ände-rungen im Unterschenkelvolumen beim Stehen zuverlässig feststellen zu kön-nen. Der Anstieg der WP und BI Kennwerte von M1 und M2 kann auf eine mangelnde Standardisierung des Vorgehens vor der ersten Messung und auf die Haltung des Unterschenkels zwischen der ersten und zweiten Messung zu-rückgeführt werden. Eine verbesserte Standardisierung (z.B. eine Ruheperiode vor der ersten Messung und die Beine in horizontaler Lage zwischen den Mes-sungen) könnte deswegen zu einer weiteren Verbesserung der Reproduzier-barkeit der WP und BI führen. Die zweite Studie zeigte, dass DD weniger Be-wegung im Lumbalbereich im Verlauf der Stehexposition zeigten als die NoDD. Das könnte darauf hindeuten, dass mehr Bewegung (z.B. mittels Gehen) Schutz gegenüber der Beschwerdeentwicklung bieten könnte. In der dritten Studie wurde festgestellt, dass auch langsames Gehen und damit die Aktivie-rung der Muskel-Venen-Pumpe, die Entwicklung eines orthostatischen Ödems vollständig verhindern kann. Die Ödementwicklung über die Zeit scheint einem exponentiellen Verlauf zu folgen, mit einem starken Anstieg zu Beginn und ei-nem Abflachen der Kurve in der Folge. Eine Ermüdung des M. gastrocnemius nach der „Cinderella Hypothese“ scheint sowohl für das Gehen (aufgrund von hoher Variabilität der Aktivierung), als auch das Stehen (aufgrund der zwar niedrigen aber nicht konstanten Aktivierung) unwahrscheinlich. Entweder es sind andere Teile des M. triceps surae (z.B. M. soleus) den beschriebenen Me-chanismen ausgesetzt oder es sind andere Vorgänge (z.B. das Unterschenkel-ödem) für die Beschwerden in den unteren Extremitäten verantwortlich. Alter und Geschlecht scheinen keinen Einfluss auf die untersuchten Parameter zu haben.

Background Prolonged standing is required in many of today’s workplaces. Epidemiological studies show that continuous static standing is associated with multiple adverse health outcomes, like musculoskeletal and venous disorders (MSD and VD). Pain and discomfort in the lower leg and lower back regions are common among standing workers. They increase with age and are more common in fe-males. Several laboratory studies showed that standing for two or more hours alone can initiate low back pain/ discomfort (LBP/ LBD) in 30% to 70% of the participants. The mechanisms behind this are not fully understood. Most hy-pothesis assume that continuous static posture is playing a major role in the development of complaints of both the lower legs and the lower back. In this regard, the ‘Cinderella Hypothesis’ might be a reasonable explanation. Here, it is assumed that fatigue of type I muscle fibres through prolonged low-level acti-vation, leads to a metabolic overload and thus pain or discomfort. Regarding venous diseases, continuous circumferential stress of the venous wall (in-creased venous pressure) and decreased blood flow, resulting from static standing, facilitate pathophysiological mechanisms, leading to pro-inflammatory responses. The result of these mechanisms is venous wall remodelling with fi-brosis, thickening of the venous walls and atrophy of elastic fibres, making veins susceptible to varicosis and consequential damages. Increasing move-ment seems to be a reasonable prevention mechanism for both MSD and VD by reducing static posture and activation of muscle-venous pump function. Sur-rogate parameters for an increased risk of MSD and VD measure subjective rating of discomfort (via numeric rating scale, NRS), muscle activity (via surface electromyography, SEMG), lower back movement (via position sensor, PS) and lower leg oedema (via waterplethysmography and bioelectrical impedance, WP and BI). The latter two are measured with self-developed procedures and de-vices and were therefore tested for reproducibility. Methods The first study investigated the intra- and inter-rater reliability of WP and BI measurements (M) in 20 healthy subjects. Each method was measured three times by two different raters on two separate days. As the main outcome for reproducibility the standard error of measurement (SEM) was used. In the sec-ond paper 60 healthy subjects were included and had to stand for five hours (including two seated breaks after 110 and 220 minutes) in three periods. The participants were asked to rate their lower back discomfort periodically during standing via NRS. SEMG was measured bilaterally on the erector muscle. Addi-tionally, a PS was placed at the sacrum (S1) to measure lower back movement in lateral and anterior/ posterior direction. Post hoc, a discomfort developer (DD) and a non-discomfort developer (NoDD) group was separated based on NRS ratings. A linear mixed model was calculated to find possible differences in muscle activation and movement patterns between DD and NoDD. The third publication also included 60 healthy subjects that had to stand and walk for ap-proximately five hours (including two seated breaks after 110 min and 220 min) in three periods. Lower leg oedema was measured using BI and WP. SEMG was measured to see if continuous low-level activation in the gastrocnemius muscle was present. Again, a linear mixed model was calculated in order to find differences between the two conditions (standing and walking) and the course of the experiments. Further, it was tested if gender and age moderate tested surrogate parameters. Results The SEM for WP and BI were 27 ml and 3.8 Ω for rater 1 and 23 ml and 3.4 Ω for rater 2. Statistically significant increases of WP and BI from M1 to M2 were detected. Additionally, BI increased further from M2 to M3. The second study showed that there was a statistically significant increase in lateral lower back movement for NoDD from the beginning to the end of each standing period, which was not the case for the DD. No further statistically significant differences between the DD and NoDD were found. The third paper showed that lower leg volume increased significantly during standing (3.6% average) and resulted in a 0.3% average change after walking. The oedema increased rapidly in the first 110 min with a subsequent flattening in the rest of the experiment. All the SEMG values were statistically significantly lower in standing than in walking. During standing several subjects had no activity (shown by means of 5th per-centile) in the gastrocnemius muscle. No statistically significant differences were found for older and female subjects. Discussion Generally, SEM values showed good reproducibility of WP and BI. Both meth-ods are suitable for detecting lower leg volume changes during standing, relia-bly. The increase in WP and BI values from M1 to M2 and M2 to M3 in BI can be explained by the lack of standardization prior to the first measurement after the subjects arrived in the laboratory and the positioning of the leg between the measurements. This resulted in an actual change in lower leg volume. Better standardization (resting period before the first measurement and horizontal leg placement between measurements) can therefore lead to a further increase in reproducibility of WP and BI. The second study showed that DD moved less in the course of the standing exposure than the NoDD. This may indicate that more movement in the lower back region (e.g. via walking) could protect from developing LBD. The third paper revealed that even slow pace walking can pro-tect oedema progression completely by activating the muscle-venous pump. The progression of oedema during standing seems to follow an exponential curve with an initial fast increase and a subsequent lower development of oe-dema. Gastrocnemius muscle fatigue by means of the ‘Cinderella Hypothesis’ seems unlikely during walking (because of high variability in activation) and standing because the activation level is rather low but not continuous, indicated by the frequent non-activation. Either other parts of the triceps surae (soleus) muscle are activated continuously or other mechanisms (like lower leg oedema) are the reasons for MSD in the lower legs. No moderating effect of gender and age was found in either of the publications.